面向5G的新型多载波传输技术比较.pdf

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2021-04-30

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的新型多载波传输技术比较

摘要: 介绍了几种面向 5G 的新型多载波传输技术: 滤波器组多载波( FBMC，Filter Bank Multicarri-

er) 、通用滤波多载波( UFMC，Universal Filtered Multicarrier) 和广义频分复用( GFDM，Generalized Fre-

quency Division Multiplexing) 的基本原理，并从第五代移动通信系统( 5G) 支持的应用场景和技术需求的

角度对三种多载波传输技术的优缺点进行比较。研究表明三种多载波传输技术的带外泄露较低，FBMC 系统

不使用 CP( CP，Cyclic Prefix) ，因此具有很高的时频效率，但 FBMC 系统帧的长度比较长，不适合短

包类业务; UFMC 对一组连续的子载波滤波，可以支持较短的帧结构，但 UFMC 不使用

CP，复杂度较高; GFDM 基于独立的块调制，具有灵活的帧结构，鲁棒性好，复杂度比前两者

低，便于实际应用。

关键词: 多载波; 第五代移动通信系统; 滤波器组多载波; 通用滤波多载波; 广义频分复用

Comparison of New Multicarrier Transmission Techniques for 5G

1 ， 1，2

LI Ning ZHOU Wei

( 1． Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications Technology;

2． College of Optoelectronic Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

Abstract: This paper describes several 5G－oriented multicarrier transmission technologies，including FBMC ( Filter

Bank Multicarrier) ， UFMC ( Universal Filtered Multicarrier) and GFDM ( Generalized Frequency Division

Multiplexing) ． In view of 5G application scenario and technical requirement，the three candidate

complexity． GFDM，based on the modulation of independent blocks，with flexible frame structure and

good robustness，including low－complexity implementation，is suitable for practical applications．

Key words: Multicarrier; 5G; FBMC; UFMC; GFDM

引言

近年来，随着智能终端设备的发展，新的技术和业

务的不断出现，未来无线数据业务将向多样化、智

能化发展，当前的无线蜂窝网络并不能满足人们的需

求。为了应对未来海量的设备连接，不断涌现的

各类新的业务和应用场景如车联网 ( Tactile Inter-net) 、

虚拟现实 ( V Ｒ， Virtual Ｒ eality) 、在线游戏 ( On-line

Gaming ) 、机器类通讯 ( MTC ， Machine － Type

Communication ) 、物联网 ( IoT，Internet of Things ) 等

［

］

，第五代无线通信系统( 5G Wireless Communica-

tion Systems) 的研究正如火如荼的进行，各个国家和地

区都纷纷成立了研究和推进 5G 技术发展的计划或组织

如欧洲的第七框架计划里的 METIS 和 5GNOW、

韩国的 5G Forum 以及中国的 IMT－2020 等。

多载波传输技术是未来通信物理层的关键技术之一，其

中 CP － OFDM( OFDM， Orthogonal Frequency Division

Multiplexing) 以其传输效率高，易通过 FFT / IFFT 实现，易

与 MIMO 结合等诸多优点被广泛用于第四代移动通信系统

( 4G LTE－A) 和 802． 16m 以及

［2］

其它通信系统中。但是传统的 CP－OFDM 存在带

外泄漏高、同步要求严格、不够灵活等缺点，不能很

好的应对未来的各种丰富的业务场景。而 5G 支持丰

富的业务场景，每种业务场景对传输技术的需求各不

相同，能够根据业务场景来动态地选择和配置不同的

多载波传输参数，同时又能继承传统的 CP －

OFDM 的优点，是对 5G 多载波传输技术的必然要

求，所以必须研究开发出新的多载波传输技术，以适

应 5G 新的业务的要求。本文将详细的介绍几种目前

热门的多载波传输技术: 滤波器组多载波 ( FB-MC)

［

］

、通用滤波多载波( UFMC)

［

］

、广义频分复用

( GFDM)

［

］

的基本原理，并对各多载波传输技术的

优缺点进行比较与总结，以对目前 5G 多载波传输技

术的研究现状作一个综合性的介绍。本文首先介绍为

何传统的 CP － OFDM 难以满足新场景下的需求，

然后给出三种新型多载波传输技术的基本原理，最后

对几种多载波传输技术进行比较并总结。

1 CP－OFDM 系统缺陷

5G 支持的应用和业务将会变的多样化智能

化，不同的业务对空口的要求也不一样，比如带宽

的业务要求更高的速率，对时延要求极为严格的车

联网业务以及物联网的海量连接等。下面我们直接

从

5G 支持的业务场景的角度来解释为何 CP －OFDM

难以满足新场景下的需求。

( ) ［1，6－8］， 1 灵活性问题。事实上一方面车联网

自动驾驶业务端到端 1ms 时延的要求，使得系统必须

具有极短的时域符号和极短的传输时间间隔 ( TTI，

transmission time interval) ，而这就需要频域较宽的

子载波带宽。另一方面，对于物联网业务，当物联网的

很多传感器同时连接时，单个连接传送数据量极低，这

属于短包类突发式通信业务，这就需要在频域上配置带

宽比较窄的子载波，这就会使时域符号和 TTI 足够

长，因此对于物联网业务就几乎可以

不考虑时延扩展的问题，也就不需要再引入 CP。现

有 OFDM 方案的子载波带宽确定后，符号的长度、

CP 的长度等也就确定了，因此，CP －OFDM 系统的

灵活性和应变能力不足，这就要求新的传输技术能

够支持灵活的配置参数。

( 2) 精确的同步

［

］

。由于 OFDM 的优势主要

体现在子载波间的正交性，这就需要精确的同步，但

如果对于物联网场景中如此海量的链接都使用精确的

同步过程，那么网络将存在大量的同步信令，造成网

络阻塞，同时异步操作还可以解决终端省电的问题。

( 3) 对零散频段的利用

［

］

。由于各种原因，通信

界中还有很多未使用的分散的频段，为了解决频带资源

稀缺的问题，可以将这些离散的频段利用起

来。5G 将这些零散频谱的利用作为 5G 支持的通信

场景中的一种。但是由于 CP－OFDM 等效于使用矩

形窗进行脉冲成形，因此旁瓣功率泄露较大，这会导

致严重的子载波间的干扰，对零散频段的利用造

成了困难。

几种面向

新型多载波传输技术的基

本原理

由于 CP－OFDM 不能满足 5G 的需求，各国的

学者纷纷开发研究出很多新的多载波传输技术，以弥补

或者改进传统的 CP－OFDM 的缺陷。滤波器组多载波

( FBMC) 、通用滤波多载波( UFMC) 、广义频分复用

( GFDM) 是目前业界讨论的最多的多载波传输技术，

下面将分别介绍三种多载波传输技术的基本

原理。

2． 1 滤波器组多载波( FBMC)

FBMC 系统由发送端的综合滤波器组和接收端

的分析滤波器组组成。分析滤波器组把输入信号分解

成多个子带信号，综合滤波器组对各个子带信号进行

综合后进行重建输出，由此可知，分析滤波器组

［7，9］

和综合滤波器组互为逆向结构。无论是分析滤

波器组还是综合滤波器组它们的核心结构都是原型滤

波器，滤波器组中的其它滤波器都是基于原型滤波器

频移而得到的，分析滤波器组和综合滤波器组

［9］

。图 1 是 FBMC

的原型函数互为共轭和时间翻转

系统基于 IFFT /FFT 实现的框图，接收端输入数据经

过串并变换，然后通过 OQAM 处理以消除相邻子载波

之间的干扰，再经过 IFFT 变换，之后进入多相滤波器

组，而接收端进行相应的逆变换恢复原始数据。值得一

提的是，由于原型滤波器可以根据实际

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